It is known that when the diffuse interface thickness $\epsilon$ vanishes, the sharp interface limit of the stochastic reaction-diffusion equation is formally a stochastic geometric flow. To capture and simulate such geometric flow, it is crucial to develop numerical approximations whose error bounds depends on $\frac 1\epsilon$ polynomially. However, due to loss of spectral estimate of the linearized stochastic reaction-diffusion equation, how to get such error bound of numerical approximation has been an open problem. In this paper, we solve this weak error bound problem for stochastic reaction-diffusion equations near sharp interface limit. We first introduce a regularized problem which enjoys the exponential ergodicity. Then we present the regularity analysis of the regularized Kolmogorov and Poisson equations which only depends on $\frac 1{\epsilon}$ polynomially. Furthermore, we establish such weak error bound. This phenomenon could be viewed as a kind of the regularization effect of noise on the numerical approximation of stochastic partial differential equation (SPDE). As a by-product, a central limit theorem of the weak approximation is shown near sharp interface limit. Our method of proof could be extended to a number of other spatial and temporal numerical approximations for semilinear SPDEs.


翻译:众所周知,当扩散界面厚度$\epsilon$趋近于零时,随机反应扩散方程的尖锐界面极限形式上是随机几何流。为捕捉并模拟此类几何流,关键在于建立误差界关于$\frac 1\epsilon$多项式依赖的数值逼近方法。然而,由于线性化随机反应扩散方程谱估计的缺失,如何获得数值逼近的这种误差界一直是一个未解难题。本文解决了尖锐界面极限附近随机反应扩散方程的弱误差界问题。我们首先引入具有指数遍历性的正则化问题,随后给出仅关于$\frac 1{\epsilon}$多项式依赖的正则化Kolmogorov方程与Poisson方程的正则性分析,进而建立相应的弱误差界。这一现象可视为噪声对随机偏微分方程(SPDE)数值逼近的正则化效应。作为副产品,本文还证明了尖锐界面极限附近弱逼近的中心极限定理。本文的证明方法可推广至半线性SPDEs的其他空间与时间数值逼近格式。

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